【正文】 前面的 Hough 變換理論中，曾 提到坐標(biāo)平面 Oxy 上的一條直線和坐標(biāo)平面 O?? 中的一點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。 30 第 4章 姿態(tài)角估計(jì) 在上一章中， 詳細(xì)介紹了圖像的預(yù)處理和直線提取算法，通過(guò)對(duì)著陸區(qū)域的特征提取，已經(jīng)可以初步識(shí)別跑道。這里主要有三個(gè)坐標(biāo)系：地面坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系，下面對(duì)它們的相互關(guān)系進(jìn)行研究。 攝像測(cè)量相關(guān) 的坐標(biāo)系 圖 為攝像測(cè)量所需各坐標(biāo)系之間的關(guān)系圖， w w w wOx y z 為世界坐標(biāo)系，c c c cOxyz 為攝像機(jī)坐標(biāo)系， Oxy 為圖像物理坐標(biāo)系。因此， 可以用 世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系間的關(guān)系來(lái)表述無(wú)人直升機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系之間的角度關(guān)系。 之間的 關(guān)系 世界坐標(biāo)系中的點(diǎn)到攝像機(jī)坐標(biāo)系的變換可以由一個(gè)正交變換矩陣 R 和一個(gè)平移變換矩陣 T 來(lái)表示： 1 1 1 2 1 32 1 2 2 2 33 1 3 2 3 3c w wc w wc w wx x xr r ry R y T r r r y Tr r rz z z? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? （ ） 其中， ? ?0 0 0, TT x y z? 是世界坐標(biāo)系原點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，矩陣 R 為： c o s s in s in s in c o s s in s in s in c o s c o s c o s s inc o s s in c o s s in s in s in s in c o s c o s s in c o s c o sc o s c o s s in c o s s inR? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ???????? ? ???? （ ） 正交變換矩陣 R 是攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)世界坐標(biāo)系的方向余弦的組合，含有三個(gè)獨(dú)立的變量： 偏航角 ? ，俯仰角 ? ，滾轉(zhuǎn)角 ? 。根據(jù)式（ ）和式（ ）可知，在攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)確定的情況下，利用若干個(gè)已知的物點(diǎn)和其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)，可以求解出攝像機(jī)在世界坐標(biāo)系中的空間位置和姿態(tài)。 37 O xybybx? ?bOl??z? ?bz 圖 H 的橫向中心線的直線參數(shù)與偏航角 ? 的關(guān)系 在第 3 章的數(shù)字圖像預(yù)處 理直線提取的過(guò)程中， 用 Hough 變換提取到了著陸平臺(tái)上的 H所對(duì)應(yīng)的三條邊界，在直線檢測(cè)的方程 cos sinxy? ? ???中，可以通過(guò)設(shè)定 ? 角的范圍來(lái)檢測(cè)出 需要的直線。 當(dāng)無(wú)人直升機(jī) 上的機(jī)載攝像機(jī)的光心固定時(shí)，像平面隨攝像機(jī)的光軸ccOz的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。 俯仰角的估計(jì) 在第 2 章中曾 提到，無(wú)人直升機(jī)有不同的俯仰角時(shí)，著陸場(chǎng)景中的 H 在圖像坐標(biāo)系中縱軸的位置不同 ，本文 可以以 H 的橫向中心 線 l 在圖像中的位置作為研究對(duì)象。 其中 z 為光軸，與無(wú)人直升機(jī)的機(jī)體坐標(biāo)系的 bbOz 軸重合， S 為像平面 ，l 為著陸平臺(tái)上的 H 的橫向中心線 ，設(shè)直線 l 與圖像物理坐標(biāo)系的 x 軸的夾角為 ? ，從圖中可以看出 ? 和 ? 這兩個(gè)角是相等的。 由式 — 可以得出物點(diǎn) P 與像素圖像中的像點(diǎn) p 之間的變換關(guān)系： 0 //x c c x c cu u fs x z f x z? ? ? （ ） 0 //y c c y c cv v fs y z f y z? ? ? （ ） 式中， xxf fs? ， yyf fs? 分別定義為 x 軸和 y 軸方向上的等小焦距。 u 、 v 分別表示某像素在數(shù)字圖像中的列數(shù)和行數(shù)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 b b b bOx yz 是機(jī)體坐標(biāo)系，原點(diǎn) bO 取在無(wú)人直升機(jī)質(zhì)心，坐標(biāo)系與無(wú)人直升機(jī)固連， bbOx 與無(wú)人直升機(jī)機(jī)身的設(shè)計(jì)軸線平行，處于無(wú)人直升機(jī)對(duì)稱面內(nèi)， bbOy垂直于機(jī)體對(duì)稱面指向右方， bbOz 在無(wú)人直升機(jī)對(duì)稱面內(nèi)，且垂直于 bbOx 指向下方。本文可以通過(guò)提取 著陸平臺(tái)上 H的橫向中心 線，以其在圖像坐標(biāo)系中的斜率和位置來(lái)判斷無(wú)人直升機(jī)的偏航角和俯仰角。 通過(guò)對(duì)著陸場(chǎng)景圖片邊緣處理的對(duì)比確定使用一階微分算子，然后通過(guò)對(duì)噪聲的抑制 效果確定使用 Sobel 算子作為本文的邊緣檢測(cè)算子。 圖 Hough變 換后的結(jié)果。因此 可以根據(jù)精度將 O?? 平面劃分為等間隔的小直方網(wǎng)格，這個(gè)直方網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)于一個(gè)計(jì)數(shù)序列。 26 變換。 25 由于 Laplace 算子為二階差分，其方向信息丟失，常產(chǎn)生雙像素，對(duì)噪聲有雙倍加強(qiáng)作用，因此很少直接用于邊緣檢測(cè)。 24 ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?, 1 , 1 2 1 , 1 , 11 , 1 2 1 , 1 , 1yf x y f x y f x y f x yf x y f x y f x y? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ ） ? ? ? ? ? ?, , ,xyG f x y f x y f x y???????? （ ） 式中 ? ?,xf x y? 、 ? ?,yf x y? 分別表示 x 方向和 y 方向的一階微 分， ? ?,G f x y????為Sobel 算子的梯度， ? ?,f xy 是具有整體像素坐標(biāo)的輸入圖像。 23 圖像的邊緣檢測(cè)就是基于微分的作用，通過(guò)求一階導(dǎo)數(shù)極值點(diǎn)或二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)來(lái)檢測(cè)邊緣。 22 (c) 閾值 T =230 圖 不同閾值 T 時(shí)圖像分割的結(jié)果 上述的圖像顯示，當(dāng)閾值 T =230 時(shí)，跑道區(qū)域 中 的 H 已經(jīng)完全從圖像背景中顯現(xiàn)出來(lái)，圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，在二值圖像中進(jìn)行邊緣檢測(cè)和 直線提取顯得較為容易。雖然局部閾值分割可以進(jìn)一 步提高圖像的分割質(zhì)量，但是其分割算法時(shí)間復(fù)雜度很高，處理圖像尤其 是處理大分辨率彩色圖像的速度 很慢 ，而且其最終效果與全局閾值法相差無(wú)幾。在許多情況下，圖像中不同類型區(qū)域內(nèi)部各自的灰度分布是均勻或相對(duì)均勻的，但區(qū)域之間的灰度或平均灰度是不同的， 可以將灰度的均一性作為依據(jù)進(jìn)行圖像的分割和區(qū)域的提取。 本文 所處理的圖像中的噪聲大多是離散的白色斑點(diǎn)，可以看作 是 椒鹽噪聲中的 鹽噪聲 ，因此，選 用中值 濾波的方法對(duì)圖像進(jìn)行消噪處理比較好。 imadjust函數(shù)可用于簡(jiǎn)單的圖像增強(qiáng)處理，增強(qiáng)對(duì)比度實(shí)際上是增強(qiáng)原圖 像中 各部分的反差。加權(quán)平均法的 算法為： ? ? ? ? ? ? ? ?, 0 . 3 0 , 0 . 5 9 , 0 . 1 1 ,f i j R i j G i j B i j? ? ? （ ） 在本文的灰度 化 處理算法中， 采用加權(quán)平均法對(duì) 拍攝到的著陸場(chǎng)景 圖像進(jìn)行灰度化處理， 灰度化處理后的 效果圖如下 所示 ： 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 第 3章 數(shù)字 圖像預(yù)處理 由機(jī)載攝像設(shè)備拍攝到的圖像一般都存在或大或小的噪聲，對(duì)于本文中的 跑 道檢測(cè)和邊緣提取有很大的干擾 作用，因此，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行預(yù)處理顯得非常 重要。圖 是飛行器有俯仰角時(shí)拍攝到的著陸場(chǎng)景，不同俯仰角時(shí)，著陸場(chǎng)景中的 H在圖像坐標(biāo)系中縱軸的位置不同，有俯仰角時(shí) H在縱軸上位置與沒(méi)有俯仰角時(shí) H在圖像中的基準(zhǔn)位置進(jìn)行對(duì)比，可以解算出飛行器的俯仰角。 方案二提出了較為新穎 的飛行參 數(shù) 的算法，但不適合于無(wú)人直升機(jī)的垂直起降。無(wú)人直升機(jī)在垂直 降落的過(guò)程 中，為了方便圖像采集，本課題設(shè)計(jì) 將機(jī)載攝像設(shè)備安裝在無(wú)人直升機(jī)的正下方，攝像頭向下拍攝圖片，這樣可以更好地識(shí)別跑道。姿態(tài)角與機(jī)體角速度之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系為： ? ?? ?t a n c os si nc os si n / c osc os si nx y zyzzy? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ??????? ???? （ ） 式中， m 是全機(jī)質(zhì)量， xI ， yI ， zI 是機(jī)體三個(gè)軸方向的慣量矩， xzI 是慣量積，g 是重力加速度，并假設(shè)它們都為常數(shù)。 上述的已有的視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)都已經(jīng)逐漸成熟，各種方法都可 以實(shí)現(xiàn)飛行器的著陸導(dǎo)航，但其適用對(duì)象有所區(qū)別，方法也有優(yōu)劣，課題的研究中要結(jié)合已有的技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)選擇本文 的設(shè)計(jì)方案。 P4P 問(wèn)題與 P3P 類似，應(yīng)用到飛機(jī)導(dǎo)航中時(shí)，由于飛機(jī)跑道通常都是矩形，并且該矩形的長(zhǎng)度和寬度都是已知的，因此通過(guò)該矩形的四個(gè)頂點(diǎn)以及其在像平面中的對(duì)應(yīng)像點(diǎn)可以用 P4P 的方法求解出各點(diǎn)的具體位置，從而可以確定出飛機(jī)的飛行姿態(tài) [13]。 8 對(duì)跑道場(chǎng)景中的兩條跑道邊線和一條著陸線進(jìn)行檢測(cè)，這樣做不需要人為設(shè)置著陸標(biāo)志，而且這些線具有明顯的可視性和直線性，可直接算出飛行器的姿態(tài)角 [10]。而地平線和飛行器的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角有密切的聯(lián)系，由它們的關(guān)系可以解算出飛行器的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角 [8]。 已有視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的概述 隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，飛行器降落過(guò)程中的跑道識(shí)別技術(shù)已經(jīng)日趨哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 微飛行器 的 選擇 常見(jiàn)的飛行器有按翼形可分為固定翼和旋翼 兩種，固定翼主要有噴氣式飛機(jī)，而旋翼主要是直升機(jī)。由于 H形目標(biāo)區(qū)域矩具有透視投影不變的特征，在具體的實(shí)施過(guò)程中，首先對(duì)大量圖像上的 H形目標(biāo)區(qū)域矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到一個(gè)統(tǒng)計(jì)量作為該目標(biāo)區(qū)域矩的正確值，實(shí)際飛行過(guò)程中，將計(jì)算的矩值與正確值比較，如果在誤差范圍內(nèi)，則認(rèn)為目標(biāo)被識(shí)別，如果在誤差范圍外，則目標(biāo)錯(cuò)誤。 在國(guó)內(nèi)，北京航空航天大學(xué)較早開(kāi)始研究基于視覺(jué)的無(wú)人機(jī)自主著陸。 3 程中的幾個(gè)部分：圖像處理、姿態(tài)估計(jì)和著陸控制，并給出了實(shí)際的飛行試驗(yàn)結(jié)果 [5]。 2 計(jì)好的幾何形狀的著陸目標(biāo)物上，所有的特征點(diǎn)都在一個(gè)平面上，從而使得視覺(jué)算法是快速的，而且計(jì)算量較小。目前，微飛行器的應(yīng)用范圍已擴(kuò)大至軍事、民用、科研三大領(lǐng)域，得到越來(lái)越多的研究。 微飛行器的姿態(tài)角是它穩(wěn)定飛行和安全著陸的重要導(dǎo)航參數(shù)。本文 主要研究了微飛行器著陸過(guò)程中 ，利用機(jī)載照相設(shè)備獲取微飛行器著陸姿態(tài)、識(shí)別跑道的 技術(shù) 。 flying parameter 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 目 錄 第 1 章 緒論 ....................................................................................... 1 微飛行器應(yīng)用背景 ................................................................................... 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ....................................................................................... 1 本文的研究?jī)?nèi)容 ........................................................................................ 4 第 2 章 方案設(shè)計(jì)的論證 ................................................................... 6 微飛行器的選擇 ....................................................................................... 6 已有視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的概述 ....................................................................... 6 直升機(jī)非線性數(shù)學(xué)模型的組成 ............................................................... 9 本文的設(shè)計(jì)方案 ......................................................................................11 本章小結(jié) ................................................................................................. 14 第 3 章 數(shù)字圖像預(yù)處理 ...................................